대한민국 공군 KF-21 보라매 초음속 스텔스 내부 무장창(Internal Weapons Bay) 공력 음향 공동 공명(Cavity Acoustic Resonance) 억제 고압 가스 피스톤 고속 사출 1,000Hz 0-Alloc C# 서보 제어 엔진

1. 수정 로시터(Modified Rossiter) 공동 음향 공명 주파수 및 압력 변동 모델

공동 길이 $L$, 자유류 마하수 $M_\infty$, 자유류 속도 $U_\infty$, 소용돌이 대류 속도비 $\kappa \approx 0.57$, 위상 지연 $\gamma \approx 0.25$에 따른 $m$차 공명 주파수 $f_m$:

전방 능동 스포일러 전개 각도 $\delta_{\text{spoiler}}$에 의한 전단층 두께 $\delta_\omega$ 증가 및 음향 음압 레벨(OASPL) 감쇠율 $\Delta \text{SPL}$:

2. 전후방 고압 가스 피스톤 차동 사출 및 팁오프 각속도 억제식

무장창 이탈 시 유도탄 질량 $m_m$, 피치 관성모멘트 $I_{yy}$, 전방 피스톤 힘 $F_{\text{front}}$, 후방 피스톤 힘 $F_{\text{rear}}$, 질량 중심과의 거리 $l_f, l_r$에 대한 사출 가속도 및 피치 각가속도 $\ddot{\theta}$:

팁오프(Tip-off) 전복 모멘트 $M_{\text{cavity}}$를 상쇄하여 피치 각속도 $|\dot{\theta}| < 0.5^\circ/\text{s}$로 유지하기 위한 전후방 피스톤 차동 압력 제어 조건:

3. 1,000Hz 0-Alloc SIMD C# IWB 공동 공명 감쇠 및 피스톤 사출 제어 엔진

1밀리초 제어 주기 내에서 GC 할당 없이 실시간 음향 공명 피크를 억제하고 피스톤 유압/가스 밸브를 서보 제어하는 고성능 C# 엔진입니다.

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.WeaponsBayControl
{
    /// 

    /// 무장창 내부 음향 센서 및 피스톤 텔레메트리 (Stack 전용)
    /// 
    public readonly ref struct BayAcousticTelemetry
    {
        public readonly float MachNumber;              // 현재 비행 마하수 (1.2~1.5)
        public readonly float DynamicPressureKpa;      // 동압 (kPa)
        public readonly float CavityPeakSplDb;         // 공동 음압 피크 (dB)
        public readonly float MissilePitchRateDegPerS; // 유도탄 피치 각속도
        public readonly float FrontPistonStrokeM;      // 전방 피스톤 변위 (m)
        public readonly float RearPistonStrokeM;       // 후방 피스톤 변위 (m)
        public readonly bool IsEjectionTriggered;      // 사출 명령 플래그

        public BayAcousticTelemetry(
            float mach, float q, float spl, float pitchRate, float fStroke, float rStroke, bool eject)
        {
            MachNumber = mach;
            DynamicPressureKpa = q;
            CavityPeakSplDb = spl;
            MissilePitchRateDegPerS = pitchRate;
            FrontPistonStrokeM = fStroke;
            RearPistonStrokeM = rStroke;
            IsEjectionTriggered = eject;
        }
    }

    /// 

    /// 사출 서보 밸브 및 스포일러 제어 출력
    /// 
    public readonly ref struct BayControlOutput
    {
        public readonly float SpoilerAngleDeg;         // 능동 스포일러 전개 각도 (도)
        public readonly float FrontPistonPressureBar;  // 전방 가스 피스톤 압력 (bar)
        public readonly float RearPistonPressureBar;   // 후방 가스 피스톤 압력 (bar)
        public readonly float EjectionVelocityMps;     // 유도탄 하향 사출 속도 (m/s)
        public readonly bool IsSafeSeparation;         // 안전 분리 달성 여부

        public BayControlOutput(float spoiler, float pFront, float pRear, float vel, bool safe)
        {
            SpoilerAngleDeg = spoiler;
            FrontPistonPressureBar = pFront;
            RearPistonPressureBar = pRear;
            EjectionVelocityMps = vel;
            IsSafeSeparation = safe;
        }
    }

    /// 

    /// KF-21 1,000Hz 0-Alloc C# 초음속 내부 무장창 음향 억제 및 사출 서보 엔진
    /// 
    public static class WeaponsBayEjectionEngine
    {
        private const float MaxPistonPressureBar = 320.0f; // 최대 작동 가스압 (320 bar)
        private const float StrokeLimitM = 0.45f;          // 피스톤 최대 행정 (45cm)
        private const float TargetEjectionSpeedMps = 10.5f;// 요구 안전 분리 속도

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static BayControlOutput ComputeControl(
            in BayAcousticTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 초음속 마하수에 따른 능동 스포일러 전개 각도 (공동 공명 억제)
            float targetSpoilerDeg = 0.0f;
            if (telemetry.MachNumber >= 0.85f)
            {
                // 음향 공명 억제를 위한 톱니형 쉐브론 스포일러 가변 전개 (최대 18도)
                float factor = Math.Clamp((telemetry.MachNumber - 0.85f) / 0.65f, 0.0f, 1.0f);
                targetSpoilerDeg = 18.0f * factor;
                if (telemetry.CavityPeakSplDb > 155.0f)
                {
                    targetSpoilerDeg = Math.Min(targetSpoilerDeg + 4.0f, 25.0f);
                }
            }

            // 2. 사출 피스톤 제어 로직
            float pFront = 0.0f;
            float pRear = 0.0f;
            float currentVelocity = 0.0f;
            bool isSafe = false;

            if (telemetry.IsEjectionTriggered)
            {
                // 기본 고압 가스 주입 (0.05초 급속 팽창)
                float basePressure = 280.0f;

                // 유도탄 피치 각속도 팁오프 방지 차동 제어 (Differential Pressure)
                float pitchError = telemetry.MissilePitchRateDegPerS;
                float differential = pitchError * 8.5f; // PD 차동 게인

                pFront = Math.Clamp(basePressure - differential, 50.0f, MaxPistonPressureBar);
                pRear = Math.Clamp(basePressure + differential, 50.0f, MaxPistonPressureBar);

                // 유도탄 하향 사출 속도 추정
                float avgStroke = (telemetry.FrontPistonStrokeM + telemetry.RearPistonStrokeM) * 0.5f;
                currentVelocity = MathF.Sqrt(2.0f * (basePressure * 100.0f / 150.0f) * avgStroke);

                if (avgStroke >= StrokeLimitM * 0.95f && currentVelocity >= TargetEjectionSpeedMps)
                {
                    isSafe = true;
                }
            }

            return new BayControlOutput(targetSpoilerDeg, pFront, pRear, currentVelocity, isSafe);
        }
    }
}

4. 마하 1.5 초음속 사출 윈드터널/HIL 시뮬레이션 및 교육적 가치